Il progetto e la produzione dei cavi sottomarini richiedono una serie di passaggi tecnici e scelte precise relative ai materiali, alla progettazione e alla tecnologia utilizzata. Un aspetto cruciale di questi cavi è la loro resistenza, la protezione contro le condizioni ambientali estreme e la capacità di trasmettere energia in modo sicuro ed efficiente su lunghe distanze. I cavi sottomarini, utilizzati per trasmettere energia elettrica o dati, sono costruiti seguendo un processo molto dettagliato, che si articola in diverse fasi.

Il processo di produzione dei cavi sottomarini inizia con la realizzazione del conduttore. Questo viene prodotto utilizzando fili di rame o alluminio preformati. L’uso di conduttori compatti è particolarmente vantaggioso per i cavi HVDC (alta tensione in corrente continua), dove la densità del conduttore influisce direttamente sulla capacità di trasmissione del cavo stesso. È fondamentale che i fili siano posati senza lasciare spazi vuoti, al fine di evitare la formazione di cavità che potrebbero compromettere l'isolamento e la protezione del conduttore. Alcuni dei metodi più comuni per unire i fili del conduttore sono la saldatura, la brasatura o l’uso di manicotti di compressione.

Una delle caratteristiche più rilevanti dei cavi sottomarini è la loro impermeabilità all’acqua. Questa viene garantita dall'introduzione di materiali idonei tra gli strati del conduttore, come polveri idrosolubili, filati espandenti e gel idrofobici. Questi materiali impediscono l'ingresso di acqua all'interno del cavo, prevenendo danni strutturali e garantendo la sicurezza a lungo termine in ambienti estremamente umidi come quelli sottomarini.

Una volta realizzato il conduttore, la fase successiva è l’isolamento. Oggi i cavi sottomarini moderni utilizzano principalmente l’isolamento in XLPE (polietilene reticolato). L'estrusione di XLPE è un processo continuo in cui il materiale viene fornito in granuli che vengono miscelati con agenti cross-linking per garantire la qualità dell’isolamento. La qualità dell'isolamento dipende dalla purezza del polietilene, poiché classi di tensione più elevate richiedono materiali con purità maggiore. Il processo di estrusione impiega una tecnologia a tripla estrusione, che permette di formare tre strati concentrici durante il processo. Questa tecnica è essenziale per garantire che l'isolamento sia uniforme e senza imperfezioni.

A questo punto, il cavo sottomarino necessita di una protezione meccanica. Un strato di schermatura metallica viene aggiunto per proteggere il cavo da eventuali danni fisici, come abrasioni o schiacciamenti. La schermatura metallica, che può essere realizzata in piombo, alluminio o rame, fornisce una barriera aggiuntiva contro l'acqua e gli agenti atmosferici. Questo strato è fondamentale per i cavi sottomarini, poiché li rende resistenti alle condizioni difficili degli ambienti marini, dove il rischio di corrosione è molto elevato.

Infine, il cavo viene protetto ulteriormente con uno strato esterno di materiale resistente alle sollecitazioni esterne, come i danneggiamenti meccanici durante il posizionamento del cavo sul fondale marino. Il processo di rivestimento finale può variare in base al tipo di applicazione del cavo, ma in genere prevede l'uso di materiali che garantiscono flessibilità e durabilità nel lungo periodo.

Oltre alla progettazione e produzione dei cavi, è essenziale comprendere il ruolo delle fibre ottiche integrate nei cavi sottomarini. Le fibre ottiche sono utilizzate per monitorare e raccogliere dati relativi al comportamento e alle condizioni del cavo stesso, come la tensione, la temperatura e altre variabili ambientali. Questi sensori ottici sono fondamentali per la manutenzione predittiva e per la prevenzione dei guasti.

Un altro aspetto rilevante è il test finale dei cavi, che avviene prima della spedizione e del posizionamento sul fondo marino. Durante questa fase, vengono verificati la tenuta all’acqua, la resistenza alle sollecitazioni e la funzionalità generale del cavo. I test possono includere analisi statiche, dinamiche, di fatica e di altre proprietà fisiche, come la resistenza alla corrosione, al fine di garantire che il cavo possa operare in modo sicuro per decenni.

La progettazione e la produzione di cavi sottomarini richiedono non solo conoscenze approfondite dei materiali e delle tecnologie di produzione, ma anche una comprensione delle condizioni ambientali in cui i cavi dovranno operare. La scelta dei materiali giusti, la progettazione accurata degli strati protettivi e l'integrazione dei sistemi di monitoraggio sono fondamentali per garantire un funzionamento affidabile e sicuro in ambienti estremi.

Come l'angolo di avvolgimento e la lunghezza del tendone influenzano la capacità di piegamento laterale nei tubi flessibili

L’equazione (16.25) fornisce un valore minimo della forza di piegamento laterale per tubi flessibili lunghi, che può essere utilizzato come stima conservativa della capacità di piegamento degli armature in trazione in compressione. In questo contesto, si esplora come diversi parametri, come il raggio di avvolgimento e l'angolo di avvolgimento del tendone, influenzino il comportamento meccanico e la capacità di resistere al piegamento laterale.

Per esaminare l'influenza del raggio di avvolgimento, sono stati sviluppati modelli B-flex con angolo di lay di 35 gradi e lunghezza del tendone pari a 5000 mm. Sono stati analizzati tre diversi profili di tendone: 3 mm x 6 mm, 3 mm x 9 mm e 3 mm x 12 mm, e sei raggi di avvolgimento: 75 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm e 300 mm. I risultati teorici dell’equazione (16.24) sono stati confrontati con i risultati ottenuti tramite i modelli B-flex, con una buona corrispondenza quando il raggio di avvolgimento è ridotto. Tuttavia, quando il raggio aumenta, le discrepanze diventano più evidenti. La causa risiede nel fatto che la forza di piegamento viene determinata dalla forza minima ottenuta durante le fasi di post-piegamento, che è inferiore rispetto ai valori iniziali di quest'ultima fase. Con l’aumento del raggio di avvolgimento, la forza di piegamento diminuisce fino a stabilizzarsi su un valore costante.

Secondo i risultati teorici, il raggio di avvolgimento influenza solo gli ultimi due termini dell’equazione (16.24). Quando il raggio tende all'infinito, il tendone diventa una barra diritta, e la forza di piegamento laterale si stabilizza con il valore determinato per una barra rettilinea:

Pcr=π2EIL2eP_{cr} = \frac{\pi^2EI}{L^2e}

Nel caso di un angolo di avvolgimento, si è proceduto con modelli B-flex con lunghezza del tendone di 5000 mm e un raggio di avvolgimento pari a 100 mm. Sono stati esaminati quattro diversi profili di tendone: 3 mm x 3 mm, 3 mm x 6 mm, 3 mm x 9 mm e 3 mm x 12 mm, e sette angoli di avvolgimento: 5°, 15°, 25°, 35°, 45°, 55° e 65°. I risultati teorici, ricavati dall’equazione (16.24), mostrano una buona corrispondenza con i risultati ottenuti dai modelli B-flex, come evidenziato in Figura 16.9. La forza di piegamento con angoli di avvolgimento diversi segue una simmetria attorno a 45°, dove il secondo termine dell’equazione (16.24) si annulla.

In particolare, per il caso di un angolo di lay di 45°, la forza di piegamento raggiunge un valore massimo per la sezione 3 mm x 3 mm, mentre per altre sezioni c’è un minimo. In un caso estremo, quando l'angolo tende a 0°, il terzo termine dell’equazione (16.24) si avvicina a zero, riducendo ulteriormente la forza di piegamento, che assume il valore:

Pcr=π2EIL2+GJeRP_{cr} = \frac{\pi^2EI}{L^2} + \frac{GJ}{eR}

Quest’ultima equazione può essere utilizzata per calcolare il piegamento laterale di una barra diritta che si flette su una superficie cilindrica.

Le conclusioni principali di questo studio riguardano i comportamenti strutturali e il calcolo delle forze di piegamento laterale degli armature in trazione. Le equazioni sviluppate permettono di determinare con precisione il comportamento meccanico dei tendoni in tubi flessibili, aiutando nella progettazione di sistemi che richiedono un'alta resistenza alla deformazione laterale. L'analisi dimostra che il comportamento post-piegamento non è influenzato significativamente dalla deformazione iniziale trasversale, ma che l'angolo di avvolgimento e la lunghezza del tendone giocano un ruolo cruciale nel determinare la capacità di resistenza alla compressione degli armature.

Le simulazioni numeriche e le analisi teoriche confermano che i modelli proposti sono affidabili e che le equazioni derivate possono essere utilizzate per calcolare con buona precisione la forza di piegamento laterale in condizioni pratiche. Inoltre, l'approccio teorico fornisce una stima conservativa che può essere utile per la progettazione di sistemi in ambienti ad alta pressione, come nel caso delle tubazioni sottomarine.

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Come analizzare il collasso elastoplastico confinato in tubi flessibili: Modelli, Teorie e Applicazioni

La formula (19.2.1) è utilizzata per cilindri infinitamente lunghi uniformemente compressi radialmente da una pressione esterna, mentre la formula (19.2.2) si applica a anelli circolari. La pressione P viene adattata con ϕ per ottenere le seguenti formule uniformi:

Pcrn={0.77ϕk+10≤ϕk≤3764⋅ϕk−2.51e−0.51/ϕk3≤ϕk≤60(4.75×10−4)ϕk+7.29ϕk≥60P_{\text{crn}} =
\begin{cases} 0.77 \phi_k + 1 & 0 \leq \phi_k \leq 3 \\ \frac{7}{64} \cdot \phi_k^{ -2.51} e^{ -0.51 / \phi_k} & 3 \leq \phi_k \leq 60 \\ (4.75 \times 10^{ -4}) \phi_k + 7.29 & \phi_k \geq 60 \end{cases}

Dove il simbolo ϕ indica il parametro utilizzato per adattare la formula. Questo approccio permette di considerare l'effetto della geometria sulla pressione critica in modo preciso, prendendo in considerazione vari valori di ϕ.

Nel caso di analisi di buckling e collasso elastoplastico confinato, la teoria classica del buckling elastoplastico viene generalmente risolta utilizzando teorie di flusso e deformazione della plasticità. Tuttavia, le teorie di deformazione hanno dimostrato di produrre risultati di biforcazione-buckling molto più vicini ai risultati sperimentali (Kyriakides et al. [22]). Questo studio adotta il metodo agli elementi finiti non lineare per analizzare gli effetti dei materiali plastici perfettamente elastici e con indurimento bilineare, considerando il confinamento e ϕ come i principali fattori di analisi numerica.

Un aspetto fondamentale da considerare è che, sebbene il metodo Riks sia utilizzato per analizzare il buckling, in questo studio è stata preferita la soluzione implicita quasi statica, poiché questo approccio ha mostrato di fornire risultati altrettanto accurati. La pressione critica è determinata quando la pendenza della curva di carico-deformazione si avvicina a zero. Le tubazioni flessibili in pratica sono spesso prodotte con tolleranze specificate, il che comporta inevitabilmente una deviazione dalla forma geometrica perfetta. Ad esempio, per i calcoli di collasso idrostatico, la norma API 17B raccomanda una ovalizzazione minima dello 0,2% se non sono disponibili altri dati.

Per lo sviluppo della formula uniforme, la ricerca si concentra esclusivamente sulla pressione di collasso dello strato interno con simmetria singola, considerando l'ovale iniziale come imperfezione. Invece di applicare la teoria di flusso J2 (Hill, R. [24]) o la teoria di deformazione J2 della plasticità, lo studio del collasso elastoplastico confinato si basa sulla formula (19.5) sviluppata da Timoshenko, che suggerisce di considerare l'inizio della plasticizzazione come un limite superiore conservativo per la pressione di collasso in fase di progettazione.

Pcr−p={(Py+ψPcr)−[(Py+ψPcr)2−4PyPcr]1/2}/2P_{\text{cr}-p} = \left\{ \left(P_y + \psi P_{\text{cr}}\right) - \left[\left(P_y + \psi P_{\text{cr}}\right)^2 - 4P_y P_{\text{cr}}\right]^{1/2} \right\} / 2

Dove PyP_y rappresenta la pressione di buckling elastico senza imperfezione iniziale, definita come Py=σyt2σytP_y = \frac{\sigma_{yt}}{2\sigma_{yt}}, e ψ è un coefficiente che integra gli effetti dell'ampiezza dell'imperfezione. Il valore di ψ dipende dalla teoria di cedevolezza selezionata: per la cedevolezza ai bordi della sezione trasversale, ψ è pari a 3, mentre per la cedevolezza sull'intera sezione, ψ è pari a 2.

L'analisi numerica dei modelli elastoplastici confinati si basa sull'uso di software commerciali come Abaqus 6.14. I modelli esaminati includono strati esterni elastici e strati interni elastoplastici perfetti, e si studiano gli effetti del confinamento e di ϕ sul comportamento meccanico dei modelli. I risultati vengono utilizzati per adattare il valore di ψ nella formula (19.5). Modelli con diverse resistenze al cedimento e imperfezioni vengono considerati per il fitting di ψ, come indicato dalle soluzioni sperimentali.

Una parte essenziale di questo tipo di analisi è l’introduzione di perturbazioni iniziali per il buckling. La perturbazione iniziale è cruciale per l’accuratezza delle simulazioni di buckling numerico, ed è determinata dalle proprietà geometriche delle imperfezioni locali, come l’errata forma del tubo. Le dimensioni di questa perturbazione dipendono dal parametro δ, che definisce lo spostamento radiale, e da Φ, che determina le dimensioni della difformità locale.

Nei modelli numerici, l’utilizzo di un elemento CPE4R (un elemento integrato a piano di deformazione) è necessario per mantenere la costante incomprimibilità del materiale plastico, evitando così fenomeni di auto-blocco volume e riducendo le sollecitazioni aggiuntive. Le condizioni al contorno e la strategia di mesh sono fondamentali per la precisione dei risultati. In particolare, è essenziale mescolare correttamente le condizioni al contorno con il modello di carico, come mostrato nei diagrammi di mesh del modello a piano di deformazione.

È importante notare che la comprensione del collasso elastoplastico confinato non si limita alla mera applicazione di formule matematiche. I risultati delle simulazioni numeriche devono essere confrontati con i dati sperimentali per verificare la validità dei modelli e l'accuratezza delle previsioni. Allo stesso tempo, i parametri di input, come le proprietà del materiale e le condizioni al contorno, devono essere accuratamente scelti per riflettere le reali condizioni operative delle tubazioni flessibili. L’approccio numerico deve sempre essere accompagnato da una conoscenza pratica dei comportamenti dei materiali e delle strutture in condizioni estreme di carico.

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